基于CC2530的Zigbee2007/PRO協(xié)議的無線溫濕度系統(tǒng)設(shè)計(jì)

任志健，莫偉健，萬智萍

（中山大學(xué) 新華學(xué)院，廣東 廣州 510520）

當(dāng)今計(jì)算機(jī)技術(shù)跟現(xiàn)代通信技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展使得Zigbee技術(shù)日漸成熟，本系統(tǒng)組建了一個(gè)基于Zigbee2007/PRO協(xié)議的網(wǎng)狀網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，采用了新型低功耗的傳感設(shè)備進(jìn)行溫濕度信息采集，對(duì)終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了設(shè)計(jì)使得終端節(jié)點(diǎn)可以自主發(fā)現(xiàn)和加入網(wǎng)絡(luò)并綁定，隨即將實(shí)時(shí)檢測(cè)到的溫濕度數(shù)據(jù)發(fā)送給終端節(jié)點(diǎn)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)這一綜合了傳感器技術(shù)、信息處理技術(shù)和無線通信技術(shù)的新興交叉學(xué)科目前已廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域[1]。結(jié)合Zigbee2007/PRO協(xié)議的特點(diǎn)和當(dāng)今市場(chǎng)對(duì)環(huán)境監(jiān)控的要求，設(shè)計(jì)了基于CC2530的Zigbee2007/PRO協(xié)議的無線溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，并通過實(shí)踐對(duì)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分進(jìn)行了可行性分析。

TI/Chipcon公司在IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)和ZigBee聯(lián)盟所推出的ZigBee2006規(guī)范的基礎(chǔ)上，發(fā)布并認(rèn)證了全功能的ZigBee 2006協(xié)議棧。該協(xié)議棧全用C語言編寫并向后兼容[2]。由于Zigbee2006改進(jìn)后仍然無法滿足需求，因此在Zigbee2006的基礎(chǔ)上又誕生了實(shí)用性更強(qiáng)的Zigbee2007/PRO，但對(duì)現(xiàn)在的用戶來說只需要了解應(yīng)用層函數(shù)以及如何合適調(diào)用這些函數(shù)即可搭建出具有穩(wěn)定性能和完善功能的Zigbee網(wǎng)絡(luò)了。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

TI公司的推出的CC2530[3]是第二代的Zigbee RF收發(fā)器，主要用于2.4 GHz的ISM頻段。其集成了1個(gè)高性能的RF收發(fā)器和1個(gè)優(yōu)化的低功耗的8051微控制器內(nèi)核，具有優(yōu)秀的接收器靈敏度和優(yōu)越的抗干擾性[4]。同時(shí)，CC2530可以配備TI的 RemoT I，ZStack或SimpliciT I等專有或標(biāo)準(zhǔn)兼容的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧來簡(jiǎn)化開發(fā)[5-6]。Zigbee2007/PRO協(xié)議棧Zstack-2.3.0是新一代Zigbee芯片CC2520基于Zigbee2007協(xié)議規(guī)范開發(fā)的協(xié)議棧。Zigbee協(xié)議結(jié)構(gòu)采用OSI七層模型。協(xié)議以IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)作為通訊基礎(chǔ)，定義了物理層（PHY）和媒體訪問控制層（MAC）的標(biāo)準(zhǔn)；ZigBee聯(lián)盟則定義了ZigBee協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層（NWK）、應(yīng)用層（APL）和安全服務(wù)規(guī)范[7]，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 Zigbee協(xié)議棧的體系結(jié)構(gòu)模型圖Fig.1 Structure of the Zigbee protocol stack

ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)可分為星狀網(wǎng)（Star Network）和網(wǎng)狀網(wǎng)兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖 2（a）、圖2（b）所示。星狀網(wǎng)連接方式比較簡(jiǎn)單，加上Zigbee收發(fā)器受限于本身的工作范圍，只能用于組建包含節(jié)點(diǎn)數(shù)比較少而且范圍相對(duì)也比較小的無線網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)狀網(wǎng)的結(jié)構(gòu)能夠使得無線網(wǎng)絡(luò)范圍大大拓展開的同時(shí)也使得無線網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)目大大增多，非常適用于位置分散，監(jiān)控節(jié)點(diǎn)需求量大監(jiān)控對(duì)象。本系統(tǒng)采用了網(wǎng)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)，主要分為：協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)（Coordinator）、路由器節(jié)點(diǎn)（Router）和終端傳感器節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 Zigbee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱DFig.2 Topology structures of Zigbee network

本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖中監(jiān)控中心為一臺(tái)計(jì)算機(jī)，主要用于可視化各個(gè)終端傳感器節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到的溫濕度數(shù)據(jù)信息并對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行儲(chǔ)存記錄；協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)用于組建無線網(wǎng)絡(luò)、分配網(wǎng)絡(luò)位置外、收集終端傳感器節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到的信息和數(shù)據(jù)傳送工作；路由器節(jié)點(diǎn)的主要為尋找、建立和修復(fù)資料封包，收集并轉(zhuǎn)發(fā)與其形成路由路徑的下級(jí)終端傳感器節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)信息；終端傳感器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)檢測(cè)所在位置的實(shí)時(shí)溫濕度數(shù)據(jù)信息并發(fā)送給其上級(jí)節(jié)點(diǎn)，最終使得檢測(cè)到的溫濕度數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，同時(shí)具備路由器節(jié)點(diǎn)的能力。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 System topology structure

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)溫濕度檢測(cè)部分選用了性能優(yōu)異的數(shù)字式溫濕度傳感器SHT15和CC2530 ZigBee模塊來搭建。SHT15集成了1個(gè)電容性聚合體測(cè)濕敏感元件、1個(gè)用能隙材料制成的測(cè)溫元件、1與14位的A/D轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路。濕度傳感器在（10～50°C）正常溫度的工作環(huán)境下誤差低于±0.5°C，濕度的測(cè)量在10%RH～80%RH的環(huán)境下誤差低于±2%RH，是個(gè)相當(dāng)穩(wěn)定的溫濕度傳感器[8]。

終端傳感器節(jié)點(diǎn)硬件部分的工作電壓由5 V干電池提供，在SHT15電源引腳VCC與GND之間加了1個(gè)100 nF去耦濾波電容 C1；SHT15的 2、3端口分別與 CC2530F256 ZigBee模塊的P2_1口和P2_2口進(jìn)行連接，SHT15與CC2530之間通過I2C總線技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。而協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)硬件部分主要使用了RS232串口電路與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，RS232串口部分電路圖如圖5所示，CC2530外圍電路如圖6所示，使用Protel DXP 2004作圖軟件來作圖。

為提高測(cè)量的準(zhǔn)確性，本系統(tǒng)在信號(hào)轉(zhuǎn)換時(shí)候進(jìn)行非線性補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償來獲得精確的數(shù)據(jù)。在收到CRC 8是確認(rèn)位后，通過保持ACK高電平來結(jié)束通訊并且自動(dòng)地進(jìn)入休眠模式。SHT15在信號(hào)轉(zhuǎn)換時(shí)，進(jìn)行相對(duì)濕度信號(hào)的非線性補(bǔ)償，測(cè)量的分辨率為12 bit，公式如下：

RH linear= －2+0.5*SORH+（－4）*SORH2 （%RH）

式中:RH linear為相對(duì)濕度修正值，SO RH為傳感器相對(duì)濕度測(cè)量值。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)終端傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)流程如圖7所示。終端傳感器節(jié)點(diǎn)上電并開始工作后，先進(jìn)行初始化工作，分別對(duì)硬件還有協(xié)議棧進(jìn)行初始化，初始化后立即搜索附近存在的無線Zigbee網(wǎng)絡(luò)并發(fā)出加入請(qǐng)求。在成功加入該無線Zigbee網(wǎng)絡(luò)之后進(jìn)入休眠模式等待條件中斷的產(chǎn)生，若中斷產(chǎn)生則對(duì)中斷做出判別再作出相應(yīng)的響應(yīng)動(dòng)作。

圖4 RS232串口部分電路圖Fig.4 RS232 serial part of the schematic

圖5 CC2530外圍電路圖Fig.5 Peripheral circuit of CC2530

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)流程如圖8所示。同終端傳感器節(jié)點(diǎn)類似，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上電后首先也要對(duì)硬件還有協(xié)議棧進(jìn)行初始化。初始化之后進(jìn)行信道搜索和并對(duì)搜索到的空閑信道進(jìn)行評(píng)估選擇最優(yōu)信道建立ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)組建成功后檢查是否收到其他節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)請(qǐng)求或控制中心的測(cè)量命令，并對(duì)這兩種情況作出相應(yīng)的響應(yīng)動(dòng)作，而在此過程中要檢查網(wǎng)絡(luò)的地址空間是否已滿，如果地址空間已經(jīng)滿了就轉(zhuǎn)到加入網(wǎng)絡(luò)失敗。一旦協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)接收到從控制中心發(fā)出的采集溫濕度數(shù)據(jù)的命令時(shí)馬上把從終端傳感器節(jié)點(diǎn)上接收到的溫濕度數(shù)據(jù)信息發(fā)送給控制中心。本系統(tǒng)部分程序如下：

/*頭文件包含程序片段*/

#include"OSAL.h"http://操作系統(tǒng)抽象層頭文件

#include"ZB_USER_EVENTS.h"http://用戶事件頭文件

...

int main（void）

{ /*初始化操程序作片段*/

圖6 終端傳感器節(jié)點(diǎn)部分軟件設(shè)計(jì)流程圖Fig.6 Software design flow of terminal sensor node

HAL_BOARD_INIT（）； //初始化節(jié)點(diǎn)設(shè)備

圖7 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)流程圖Fig.7 Software design flow of coordination node

HalDriverInit（）； //初始化硬件抽象層驅(qū)動(dòng)

...

if（event& （ZB_USER_EVENT））//當(dāng)用事件發(fā)

{ zb_HandleOsalEvent（user_event）；//調(diào)用判斷事件類型并作出處理

if（（user_event） &event_S）//若事件類型為測(cè)量溫濕度

{ myApp_StartReporting（）；//測(cè)量并發(fā)送溫濕度信息

}

else if（（user_event） &event_T）//若事件類型為轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)

{ zb_TRANEvent（）；//轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)

}

...}

4 系統(tǒng)結(jié)果分析

通過使用無線溫濕測(cè)量系統(tǒng)在工作環(huán)境中進(jìn)行當(dāng)?shù)丨h(huán)境氣候進(jìn)行測(cè)量，為了保證測(cè)量的結(jié)果和準(zhǔn)確性，我們?cè)诓煌臅r(shí)間進(jìn)行抽查測(cè)量，每過5分鐘時(shí)間段測(cè)量一次，測(cè)量一個(gè)小時(shí)，并用MATLAB對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，溫度測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值比較圖如圖8所示以及濕度測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值比較圖如圖9所示。

圖8 溫度測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值比較圖Fig.8 Measurements and standard value comparison of temperature

圖9 濕度測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值比較圖Fig.9 Measurements and standard value comparison of humidity

5 結(jié)束語

文中基于CC2530芯片結(jié)合ZigBee2007/PRO協(xié)議，設(shè)計(jì)了一個(gè)無線溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)并對(duì)系統(tǒng)功能做了實(shí)際驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明了本系統(tǒng)是切實(shí)可行的。系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)多個(gè)分散的節(jié)點(diǎn)的溫濕度監(jiān)控和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸，而且系統(tǒng)采用了網(wǎng)狀網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組建無線網(wǎng)絡(luò)使得監(jiān)控的范圍大幅度擴(kuò)大，在監(jiān)控范圍上比一般的采用星狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)搭建網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控系統(tǒng)要大得多，同時(shí)這也使得本系統(tǒng)比星狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)容量大，在現(xiàn)在的無線檢測(cè)系統(tǒng)一般都采用星狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)組網(wǎng)的形勢(shì)下本系統(tǒng)具有很大的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)。另外本系統(tǒng)的能穩(wěn)定性和可靠性也非常高使得本系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性非常強(qiáng)，特別適用于工農(nóng)業(yè)環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)和對(duì)環(huán)境因素要求比較苛刻的作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。

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